Жаропрочность и жаропрочные материалы
сплавы и Жаропрочные стали
Жаропрочностью именуется свойство материала сопротивляться при больших температурах деформации и разрушению от действия рабочих напряжений.
Жаропрочные сплавы способны долгое время сопротивляться ползучести и разрушению. Ползучесть металлов разъясняется на данный момент как суммарный итог многих видов деформации, являющейся следствием относительного перемещения атомов.
Академик А. А. Бочвар говорит о возможности свести любой тип пластической деформации к процессам диффузии, определяемым температурой.
В случае если температуры низки, то под действием напряжений преобладающее значение покупают виды деформации с ограниченным развитием диффузионных процессов, т. е. деформации сдвига либо двойникования, проходящие по зерну.
По мере увеличения температуры преимущественное развитие покупают виды деформации, которые связаны с диффузией, в особенности легко протекающей в территориях, расположенных по границам зерен.
Потому, что пластической деформации и разрушению содействуют диффузионные процессы, удовлетворительное решение проблемы жаропрочного сплава связано с подавлением (замедлением) в нем диффузии. Ослабление диффузионных процессов ведет к торможению фазовых превращений, стабилизации микроструктуры и, следовательно, к обеспечению самоё длительного сохранения механических особенностей при действии больших напряжений и температур.
При компоновке жаропрочного сплава полезно выполнять ряд требований:
1. В качестве базы сплава выбирать металл с большой прочностью межатомной связи и с большой температурой рекристаллизации.
2. Методом рационального легирования увеличивать прочность межатомной связи и поднимать температуру рекристаллизации сплава.
3. Выполняя нужные режимы обработки, придавать сплаву структуру, в громаднейшей степени мешающую протеканию диффузии и содействующую росту сопротивления пластической деформации и разрушению.
О прочности межатомной связи в металле возможно делать косвенные выводы по температуре его плавления, поскольку с ростом межатомного сцепленйя в большинстве случаев возрастает и температура плавления. Температура рекристаллизации кроме этого связана прямой зависимостью с температурой плавления. Исходя из этого в качестве базы для жаропрочных сплавов направляться выбирать самые тугоплавкие металлы.
Лучшие жаропрочные сплавы на металлической, никелевой и кобальтовой базе способны удовлетворительно трудиться до 100 °С. С громадными ограничениями их возможно применять до 1000 °С. В случае если оценить предельную рабочую температуру современных жаропрочных сплавов, то окажется, что она равна приблизительно 60—75% безотносительной температуры плавления.
Вероятный рост рабочей температуры ограничивается для этих сплавов несколькими десятками градусов ввиду все большего приближения к температуре плавления и все более большой утраты прочности.
В переводе на шкалу Цельсия такие металлы, как никель, железо и кобальт, имеют родные температуры начала рекристаллизации, лежащие в пределах 420—450 °С. Одновременно с этим современные жаропрочные сплавы на базе названных металлов имеют порог рекристаллизации около 1000 °С. Таков эффект легирования, тормозящего диффузионные процессы и замедляющего процесс рекристаллизации.
Замедление разупрочнения при больших температурах, вызываемое легированием, должно обезопасить сплав от разрушения и чрезмерной ползучести. В это же время характер разрушения и процесс ползучести зависят от условий и температуры нагружения. Разрушение, как мы знаем, может носить межкристаллитный и внутрикристаллитный темперамент.
Разрушение железных материалов при больших скоростях и низких температурах деформации в большинстве случаев протекает по зерну, а при малых и высоких температурах скоростях деформации — по границе зерна. Это говорит о необходимости пограничных зон и упрочнения границ. Наряду с этим задача верного легирования пребывает в том, дабы упрочнить и его границы и тело зерна, придав им равнопрочность в условиях долгого нагружения при больших температурах.
практика и Теория легирования показывают, что возможности для этого имеются.
Разные элементы по-различному легируют тело зерна и пограничные его области. Так, к примеру, вольфрам в никелевых сплавах находится в основном в зерна, а молибден — по его границе. Исходя из этого методом действия на границы зерен есть легирование сплавов примесями (молибден, ниобий, цирконий и др.), талантливыми обогащать границы зерна и пограничные области и упрочнять их.
Имеются кроме этого поверх-ностноактивные легирующие примеси (к примеру, бор и др.), располагающиеся в пограничных областях зерна и очень действенно воздействующие на упрочнение сплава.
Обстоятельством малой высокотемпературной прочности довольно часто есть загрязнение сплава легкоплавкими примесями, склонными скапливаться в пограничных слоях и на границах зерен (кислород, сера, фосфор, водород, сурьма, олово, свинец и др.). Такие поверхностноактивные примеси, как бор, способны, сами скапливаясь в пограничных сЛоях и на границах зерна, мешать скоплению в этих местах вредных примесей. Введение малых («травяных») добавок бора исходя из этого создаёт очень действенное воздействие на увеличение жаропрочности.
Для легирования жаропрочных сплавов на металлической, никелевой и кобальтовой базах смогут быть использованы: углерод, кремний, марганец, никель, кобальт, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, азот, бор и другие элементы. При легировании наилучший эффект увеличения жаропрочности достигается введением большого числа компонентов.
Такое легирование дает искажение и усложнение пространственной решетки и затрудняет протекание диффузионных процессов в жёстком растворе.
Легирование формирует только благоприятную предпосылку для получения жаропрочного сплава. Желаемый эффект упрочнения достигается в следствии получения и обработки структуры, в громаднейшей мере ограничивающей развитие диффузии и снабжающей высокие показатели жаропрочности за счет создания громадного количества дислокаций и благоприятного их распределения.
Жаропрочные сплавы имеют структуру, базу которой образовывает насыщенный жёсткий раствор аустенитного типа. Жёсткие растворы ферритного типа владеют если сравнивать с аустенитными нехорошими показателями жаропрочности (рис. 144). База жёсткого раствора выбирается по размеру и характеру атомов, размеру и типу пространственной решетки.
Большая часть легирующих элементов, имеющих атомы, родные по размеру к атомам базы, образуют с нею аустенитный жёсткий раствор по типу замещения. Легирующие элементы, имеющие атомы малого размера (С, N, В), дают растворы внедрения.
Кроме ядерной структуры свойства сплава зависят кроме этого от его микроструктуры.
Но самые важным есть влияние так называемых упрочняющих фаз, образуемых при сотрудничестве легирующих элементов с базой сплава и между собой. Упрочняющее влияние этих фаз зависит от характера сотрудничества их с жёстким раствором, от числа фаз, степени их характера и раздробления залегания по зерну либо по границе зерна жёсткого раствора. Независимо от многообразия и числа упрочняющих фаз довольно часто их объединяют неспециализированным наименованием «вторая фаза».
Рис. 1. Сравнение предела ползучести жаропрочных сталей на аусте-нитной (а) и ферритной (б) базе
Наконец, очень значительным есть темперамент строения границ зерен и пограничных участков. Прочность границ определится бездефектностью строения их, и наличием упрочняющих фаз.
Для жёсткого раствора, являющегося базой сплава, упрочняющими фазами помогают химические соединения типа карбидов либо интерметаллидов, или жёсткие растворы с пространственной кристаллической решеткой, хорошей от решетки главного жёсткого раствора.
Для аустенитных жаропрочных сталей наиболее значимыми упрочняющими фазами являются карбиды хрома Сг23С6, Сг7Сз, двойные карбиды типа Fe2Mo2C, Fe2W2C, смешанные карбиды Fe2(W, Мо)2С и др.
Роль упрочняющих фаз в аустенитных сталях смогут играться кроме этого интерметаллидные фазы: вольфрамиды, молибдениды, ниобиды и т. д.
При нагреве под закалку все названные фазы всецело переходят в жёсткий раствор. При старении все они выпадают из раствора в большей либо меньшей степени в зависимости от длительности и температуры старения.
Никелевые сплавы упрочняются или интерметаллидными соединениями в чистом виде, или в сочетании их с карбидными фазами. Примером интерметаллидной упрочняющей фазы в никелевых сплавах может служить так называемая а – фаза, воображающая собой упорядоченный жёсткий раствор с гранецен-трированной кристаллической решеткой примерного состава (Ni, Сг)з (Al, Ti).
Решетка а’-фазы когерентно связана с главным жёстким раствором, из которого выделяется в ходе старения при термической обработке. Фаза есть упрочнителем в основном для деформируемых никелевых сплавов. Она играется упрочняющую роль и в литых сплавах, но последние в один момент упрочняются и карбидными фазами в виде несложных и двойных карбидов.
Сплавы на кобальтовой базе упрочняются в основном карбидными фазами.
Для придания деформируемым сплавам наивысших показателей жаропрочности нужно использовать термическую обработку, складывающуюся из старения и закалки.’
В литых сплавах упрочнение удается взять в ходе самой отливки.
Упрочняющие фазы в жаропрочных сплавах тяжело растворимы и требуют больших длительных выдержек и температур нагрева. Вместе с тем очень высокая температура закалки приводит к значительному укрупнению зерна (рис. 2).
Рис. 2. Микроструктура сплава ЭИ437А: а — в состоянии поставки; б — закалка 1050°; в — закалка 1080°.
Для получения оптимальной структуры при закалке никелевые сплавы нагреваются на 1070—1090°, аустенитные стали на 1100—1300° в зависимости от назначения и состава. Выдержка может быть около нескольких часов в зависимости от типа сплава, назначения изделия, метода нагрева и т. д. Охлаждающие среды кроме этого выбираются разные: вода, масло либо воздушное пространство.
Старение закаленных сплавов проводится при температурах, родных к рабочим. В солидном числе случаев жаропрочные сплавы выдерживаются для старения при температуре 700—800° в течение 6—16 часов.
Легирующие примеси по их числу и по процентному содержанию в сплаве подбираются с таким расчетом, дабы в ходе нагрева взять предельно насыщенный многокомпонентный жёсткий раствор.
По окончании закалки таковой жёсткий раствор окажется пересыщенным и неустойчивым, благодаря чего будет стремиться выделить растворенные упрочняющие фазы. При старении процесс распада протекает в таковой степени, что упрочняющие фазы успевают выделиться по телу зерна и по его границам в виде огромного числа узких кристаллических образований субмикроскопического размера. Владея собственной кристаллической решеткой, фазы-упрочнители в указанном состоянии еще не обособляются от главной решетки жёсткого раствора и находятся с ней в когерентной связи.
Наличие когерентной связи говорит о сильных искажениях в пространственных решетках жёсткого раствора и выделяющихся фаз, затрудняющих пластическую деформацию при больших температурах и повышающих жаропрочность. Искаженная пространственная решетка его границ и зерна затрудняет диффузию, содействует долгому сохранению микроструктуры сплава и удлиняет сроки сохранения им стабильной жаропрочности.
Долгое старение при повышенной температуре может привести к выделению видимых в микроскоп частиц второй фазы, что в большинстве случаев говорит о большом разупрочнении сплава. На рис. 146 приведены микрофотографии аустенитной жаропрочной стали, подвергнутой долгому старению при довольно большой температуре 800 °С.
Выделившиеся наряду с этим частицы второй фазы не видны при повышении 100 И прекрасно различимы при повышении 1000.
Упрочнение в литых сплавах связано с самой природой последних. Дендритная ликвация, свойственная жёсткому раствору литого сплава при кристаллизации, ведет к выделению упрочняющих фаз в междендритных территориях уже в ходе охлаждения отливки. Наряду с этим частицы упрочняющих фаз, располагаясь по границам зерен, образуют в пространстве конструкцию скелетного типа, пронизывающую всю поликристальную массу жёсткого раствора.
Эта пространственная конструкция принимает на себя нагрузки и, владея стабильностью и высокой прочностью при больших температурах, информирует литому сплаву хорошую жаропрочность. Литые сплавы при большом пределе долгой прочности владеют в большинстве случаев малой пластичностью. Гомогенизирующая термическая обработка способна улучшить пластичность литых сплавов.
Рис. 3. Микроструктура хромоникелевой аустенитной стали для дисков турбин по окончании долгого старения при 800°.
Никакой второй обработке (старение и закалка) литые сплавы в большинстве случаев не подвергаются.
Физические особенности жаропрочных сплавов и сталей характеризуются плотностью, коэффициентом линейного расширения, теплопроводностью и др.
Плотностьf аустенитных сталей колеблется в пределах 7,8— 8,1 г/см3. Плотность аустенитных никелевых сплавов 8,2— 8,5 г/см3, кобальтовых сплавов 9,0—9,2 г1см3.
Теплопроводность аустенитных сплавов мала. В случае если у А1 коэффициент теплопроводности Х = 0,40 кал/см-сек-град, то у аустенитных сталей ^ = 0,06, а у никелевых сплавов Х = = 0,04 кал/см- сек -град, т. е. на порядок хуже, чем у алюминия.
Все аустенитные сплавы фактически немагнитны.
Режущие твёрдые сплавы и стали
Для обработки резанием жаропрочных сплавов и сталей используются инструменты из быстрорежущих сталей и жёстких режущих сплавов.
Хорошая быстрорежущая сталь Р18 содержит 18% W; 4,5% Сг; 1,2% V и 0,75% С. Хром в данной стали находится в жёстком растворе, a W и V образуют карбиды Fe2W2C и VC.
Для придания быстрорежущей стали свойства резать при температуре режущей кромки около 600°, т. е. при красном цвете каления («красностойкость»), режущий инструмент обязан пройти высокотемпературную закалку при 1280—1300° с последующим многократным отпуском при 560—590°.
Жёсткие режущие сплавы (металлокрамичеекие материалы) получаются из карбидов металлов, спекаемых керамическим способом при добавлении железного кобальта в качестве связки. Используется две группы этих материалов: ВК6 и ВК8, складывающиеся из WC и Со (6 либо 8%); ВК5Т15 и ВК8Т21, включающие WC, TiC и Со (5 либо 8%).
При изготовлении их тонкие порошки карбидов W и Ti и порошок кобальта смешивают и прессуют, после этого нагревают при 900—1000 °С. Затем сплав представляет собой спекшуюся массу, талантливую обрабатываться резанием. Второе спекание выполняют при 1400 °С, по окончании чего инструмент получает собственную окончательную твердость, равную приблизительно 75—90 единицам по шкале RC.
сплавы и Тугоплавкие металлы
Наровне с никелевыми сплавами и аустенитными сталями на данный момент в качестве жаропрочных материалов приобретают распространение тугоплавкие металлы.
Для получения жаропрочности, превышающей жаропрочность стандартных никелевых сплавов, нельзя не обратить внимание на такие тугоплавкие металлы, как ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений.
Молибден очень перспективен в качестве базы для новых жаропрочных сплавов.
Но на данный момент его широкому внедрению мешает малая жаростойкость.
Рений до тех пор пока весьма дефицитен и дорог. Вольфрам завлекает внимание собственной только большой температурой плавления, но он кроме этого мало жаростоек. Мо и W имеют малую жаростойкость ввиду летучести их окислов.
Ниобий в качестве нового жаропрочного и жаростойкого материала очень перспективен. Он владеет малой плотностью, большой температурой рекристаллизации и плавления и устойчивыми сопротивлением ползучести и длительной прочностью. Жаростойкость ниобия возможно увеличена легированием.
вольфрам и Молибден защищаются или поверхностной химико-термической обработкой, или плакированием высокожаростойкими сплавами. При химико-термической обработке в следствии диффузионного насыщения кремнием происходит образование Дисилицида вольфрама и молибдена, отличающихся высокими защитными особенностями. Но наружный защитный слой весьма хрупок и легко возможно поврежден, в следствии чего нарушается его защищающая свойство.
Вольфрам, владея если сравнивать с молибденом более высокой жаропрочностью, проигрывает по удельной жаропрочности благодаря приблизительно в два раза большего удельного веса.
Для его жаропрочности сплавов и повышения молибдена используется легирование, которое существенно повышает температуру рекристаллизации и измельчает зерно.
Рис. 4. Зависимость скорости окисления от температуры
Долгая прочность молибденовых сплавов есть намного более высокой, чем у наилучших серийных сплавов на никелевой базе.
Сопротивление термической усталости при охлаждениях молибдена и циклических нагревах и его сплавов удовлетворительное, что разъясняется малыми температурными деформациями благодаря маленького коэффициента хорошей теплопроводности и линейного расширения при больших чертях прочности. Высокую жаропрочность его сплавы и молибден имеют лишь в вакууме либо при хорошей защите от окисления.
Окислы молибдена Мо02 и Мо03 неспособны защищать металл от окисления, поскольку процесс протекает с превращением Мо02 в МоОз и улетучиванием последнего. Уже при 800° Мо03, чуть успев появиться, всецело улетучивается. При температуре около 1000° скорость окисления молибдена образовывает около 1 мм/час, что приблизительно в 3000 раз превышает скорость окисления нержавеющей хромоникелевой стали.
Защита дисилицидом MoSi2 разрешает молибдену выдерживать нагрев до 1400° в окислительной воздухе в течение сотен часов.
При изыскании новых жаростойких и жаропрочных материалов внимание исследователей направлено не только в сторону тугоплавких металлов. Сейчас все большее внимание обращается на неметаллические материалы в чистом виде (керамику) либо с добавлением металлов (керметы).
Неметаллические материалы (керамика) включают окислы, карбиды, бориды, нитриды, силициды. Они имеют малую плотность, достаточную прочность, в особенности на сжатие, высокие жаростойкость и жаропрочность.
Так, к примеру, А1203, ВеО и Zr02 имеют температуры плав-пения соответственно 2050, 2570 и 2700 °С, не реагируют с тёплыми агрессивными газами и владеют большой прочностью на сжатие. Плотность их образовывает соответственно 3,9; 3,02; 549 г/см3. Но эти материалы имеют малую прочность при растяжении, высокую чувствительность и плохую теплопроводность к термическому удару, чувствительность и абсолютную хрупкость к концентрации напряжений.
Карбиды тугоплавких металлов владеют большими температурами плавления, большой прочностью, имеют лучшую, чем окислы, теплопроводность и громадную стойкость против термического удара. Но они мало жаростойки и склонны окисляться при температурах порядка 800° (карбиды молибдена и вольфрама) и 1000° (карбиды кремния и карбиды тантала).
Бориды способны противостоять окислению впредь до 1300°, силициды до 1100°, a MoSi2 кроме того до 1700°. Но высокая хрупкость свойственна и этим материалам.
Керметами именуются материалы, в которых железная составляющая в большинстве случаев находится между неметаллическими частицами, занимающими главный количество.
Прекрасно изучены керметы на базе TiC с добавкой Со либо Ni. TiC владеет малой плотностью, малым коэффициентом линейного расширения и хорошей теплопроводностью, но недостаточной жаростойкостью (до 800°). Добавление карбидов Та и Nb дает возможность приобрести более плотную и прочно сцепляющуюся с поверхностью окисную пленку.
Сплав 80% TiC с 20% Со при наличии этих добавок сокращает глубину окисления за 100 час с 0,75 до 0,025 мм.
Большое внимание уделяется керметам на базе тугоплавких окислов с добавлением Fe либо Сг. Металлические керметы удовлетворительно трудятся до 1000°, керметы Сг—А1203 трудятся в полной мере удовлетворительно при температуре 1500° в течение 1000 час.
Оптимальную жаропрочность имеют сплавы 70—80% А1203 и 30-20% Сг.
Один из них, содержащий 72% Сг и 28% А1203, имеет плотность 6 г/см3, температуру плавления 1850 °С, средний коэффициент линейного расширения в промежутке температур от 0 до 1000° а = 8,4 • 10“6 1 /°С, теплопроводность 0,022 кал/см • сек °С, краткосрочную прочность при изгибе при 1400 °С 10,5 кГ/мм2.
Предельная температура нагрева этого материала на воздухе Равна 1200 °С.
Недочётом керметов являются: ударная вязкость и малая пластичность, время от времени малая сопротивляемость термическому удару.
В индустрии употребляются керметы на базе карбида титана, которые содержат добавки хрома для увеличения жаростойкости и пригодные для того чтобы турбины с рабочей температурой до 1000°С и материалы из глинозема и хрома, имеющие рабочие температуры до 1200°С и используемые для чехлов термопар и для тиглей.
жароупорные материалы и Керметы (керамика и графит) смогут использоваться для фрикционного нагружения, поскольку железная фаза керметов теплопроводна, а керамическая прекрасно сопротивляется износу. Для регулирования силы трения целесообразна добавка графита.
Керметы используются для защиты железных материалов от окисления. Наряду с этим алюминиевые сплавы, защищенные кер-метами, стойки против окисления при температурах до 650°С, малолегированные стали до 875 °С, нержавеющие стали до 1050 °С, высоколегированные и жаропрочные материалы — при температуре более чем 1100°С. Толщина покрытий равна 0,0125— 0,025 мм, а вес их менее 100 г на 1 м2.
Высокой жаростойкостью отличается материал боразон, приобретаемый из простого нитрида бора BN методом нагрева до 1700° и действия большого давления 70000 атм. Он владеет твердостью, сравнимой с твердостью бриллианта.
Материал БС1, содержащий 80% TiB2 и 20% СгВ2 имеет плотность 4,5 г/см3, предел долгой прочности при изгибе за 100 часов при 1200 °С 20 кГ/мм2, модуль упругости при растяжении 32800 кГ/мм2. Он рекомендуется для сопловых лопаток газовых турбин, действующий при температуре до 1200 °С 6 течение 100 час. Краткосрочно (в течение 5 мин) сплав может выдер-живйть температуру до 3000 °С.
